Enzimas para la terneza y madurez de la carne bovina

En la actualidad, la sociedad atraviesa por un acelerado crecimiento en la población humana; tan solo en la República Mexicana residen más de 95 millones de personas, dando esto al territorio el undécimo lugar entre las naciones más pobladas del mundo, con una tasa anual de crecimiento promedio por año, durante los últimos 10 años, de 3.7%. Lo anterior es preocupante, ya que aumentan las necesidades tales como los servicios, la educación, el vestido y la alimentación.
Según el uso principal al cual se destina, el ganado bovino está clasificado en ganado de leche o de carne, catalogada ésta última como uno de los principales alimentos en cuanto a su valor nutricional, además de ser aceptada por los consumidores debido a su sabor y a la característica sensación de saciedad que proporciona.

La carne de bovino es considerada como una fuente alimenticia económica en comparación con carne de otras especies. Es además un alimento completo ya que contiene 55 a 78% de agua, 15-22% de proteínas, 1-15% de lípidos y alrededor de 1% de sales minerales.

Uno de los problemas que se presentan en la obtención de carne de buena calidad es que las principales razas que son sacrificadas en los rastros mexicanos son de tipo cebuino y animales viejos, ambos productores de carne dura.

Después de décadas de investigación, los mecanismos que determinan la blandura de la carne permanecen desconocidos. Para explicar este fenómeno, han sido propuestos parámetros como componentes individuales: pH, temperatura, longitud del sarcómero, grado y solubilidad de la colágena, fuerza iónica, grado de glucólisis y proteólisis posmortem. La blandura también se ve afectada por la especie, edad del animal, entre animales de una especie, entre diferentes músculos y entre músculos almacenados a diferentes temperaturas posmortem.

Asimismo, se han estudiado varios métodos para lograr el ablandamiento de la carne: adición de proteasas exógenas, infusión de iones de calcio, marinación, estimulaciones eléctricas después del sacrificio, y acondicionamiento a altas temperaturas. El ablandamiento posmortem sólo puede lograrse al romper las uniones de algunas proteínas estructurales, ya sea por los métodos físicos (golpeado de la carne) o por acción enzimática. En la maduración enzimática se puede distinguir entre la acción de enzimas endógenas y enzimas exógenas aplicadas voluntariamente a la carne.

Maduración

Una alternativa para mejorar la calidad sensorial y nutritiva de la carne es la maduración, un proceso natural donde las enzimas endógenas tienen un papel importante en la mejora de la textura y de las características organolépticas.

La práctica del almacenamiento de la carne después de la muerte del animal para mejorar la textura ha sido llevada a cabo desde hace siglos, ya que se tienen reportes de que los aztecas cubrían la carne con hojas de papaya durante su cocimiento, con el fin de ablandarla. Mas no fue sino hasta el siglo XX cuando el mecanismo de ablandamiento fue conocido. Más tarde, la proteólisis de las proteínas musculares fue propuesta como un mecanismo primario en la maduración de la carne.

La maduración es un proceso en el cual la carne cambia sus propiedades, tales como sabor, color y textura, cuando es almacenada a temperaturas arriba de su punto de congelación. La maduración es un proceso lento. Idealmente las canales deberían acondicionarse por un periodo de 15 días a una temperatura de 4º C, pero esto no se lleva en la práctica por el alto costo de refrigeración. De entre las enzimas endógenas, las más importantes para producir ablandamiento son las catepsinas y las calpainas.

Catepsinas

Antes de los años setenta se sabía que los lisosomas -organelos citoplasmáticos, contenedores de enzimas con actividad proteolítica ácida- poseían diversas enzimas capaces de degradar un número considerable de biomoléculas y, por tanto, participaban en los procesos fisiológicos de la célula. Por lo tanto, fue el primer sistema proteolítico intracelular que se relacionó con la actividad lisosomal y con la degradación de la célula, posteriormente se encontraron otras vías proteolíticas extralisosomales.

Las enzimas de los lisosomas intervienen en la degradación de proteínas, polisacáridos y lípidos, además de otros compuestos, ya que los lisosomas están relacionados con la digestión intracelular.

Las enzimas se localizan en el interior de los lisosomas y se liberan cuando desciende el pH después del sacrificio, durante la etapa posmortem, debido a que las membranas lipoproteícas de los lisosomas se rompen al existir diferencias en presión ejercida por los iones hidronio en el ambiente celular. Cuando los lisosomas se rompen, se destruye la célula, debido a que las enzimas contenidas son capaces de degradar los componentes principales de ésta. Así, el tejido muscular sufre una lesión grave donde las enzimas proteolíticas empiezan su acción.

Estudios histoquímicos han reportado la localización de las catepsinas y explicado su participación en el ablandamiento de la carne. Se ha encontrado que al cuarto día del proceso de maduración las catepsinas están más difundidas en la fibra muscular, lo que permite deducir que una vez degradada la membrana de los lisosomas durante el descenso de pH posmortem, la acción de las enzimas se incrementa con el tiempo de almacenamiento.

Algunos autores reportan que a temperaturas altas de almacenamiento de 37ÞC aumenta el rompimiento de las membranas lisosomales, debido a que el músculo está en estado posmortem. En esta situación, las enzimas proteolíticas tienden a ser más activas a una temperatura óptima, causando una degradación extensiva de las proteínas miofibrilares. Se encontró que las catepsinas degradan a la miosina a 37ÞC, pero no a temperaturas menores, mientras que la actina es degradada en pequeñas cantidades.

Las catepsinas tienen un pH óptimo ácido. De las 13 enzimas lisosomales reportadas sólo ocho se han demostrado existentes en los lisosomas de la célula del músculo. Asimismo, se han realizado estudios sobre el efecto de estas enzimas en el almacenamiento de carne tratada a altas presiones, encontrándose cambios en su actividad.

Calpainas

El primer reporte documentando la existencia de las calpainas fue el realizado por Guroff (1064) quien demostró la existencia de proteinasas dependientes del calcio en estudios realizados en cerebro de rata. El sistema proteolítico de las calpainas ha sido nombrado de muchas maneras, tales como factor activado por calcio (CAF), proteasas neutras activadas por calcio (CANP), proteasas sulfihidril dependientes de calcio (CDSP), y proteasas dependientes de calcio (CDP). Hoy en día es aceptado el nombre de calpainas por la International Union of Biochemistry y están clasificadas como EC 3.4.22.17.

El sistema proteolítico de las calpainas consta de dos tipos: de acuerdo a la concentración de calcio que necesitan para activarse, conocidas como Calpaina I y II. Las calpainas del músculo esquelético tienen un peso molecular alrededor de 110kDa y constan de dos fracciones encontradas por electroforesis desnaturalizante de 80 y 30 kDA.

Una de las características importantes de las calpainas es que el calcio las activa pero en presencia excesiva de calcio se autolizan. Como resultado de la autoproteólisis, las dos subunidades de 80 y 30 kDa son degradadas a polipéptidos de pesos moleculares entre 78 y 18 kDa. Las concentraciones de calcio intracelular son suficientes para activar a la calpaina II pero no a la I.

En estudios sobre la degradación de las proteínas reguladoras se ha observado que las calpainas producen proteólisis sobre la troponina T, troponina I, tropomiosina, alfa-actinina, titina y nebulina y, por su parte, la desmina es extremadamente susceptible a la acción de las enzimas proteolíticas. Se ha observado, además, que la nebulina es degradada por las calpainas. No se ha reportado degradación de miosina y actina por acción de las calpainas.

Las condiciones óptimas para la activación de las calpainas es a 25º C y pH 7.5, sin embargo el requerimiento mínimo de calcio para la activación de calpainas parece ser independiente de la temperatura.

El ablandamiento del músculo esquelético de animales ha sido ligado a la actividad posmortem del sistema proteolítico de las calpainas. Cuando la carne se trata con cloruro de calcio, ocurre cierto grado de proteólisis, reduciendo así el tiempo necesario para la maduración posmortem; sin embargo, algunas propiedades sensoriales, tales como el olor y el sabor podrían ser alteradas por este tratamiento. Los estudios en carne tratada con iones de Ca2+, ya sea inyectada o marinada, han determinado que se genera un sabor residual amargo en carne de caballo y de conejo.

Relación de calpainas-catepsinas

Las catepsinas lisosomales y las calpainas tienen una acción conjunta durante el almacenamiento posmortem de la carne. Ambas ayudan al rompimiento de la miofibrilla por medio de la proteólisis de las proteínas miofibrilares, dando como resultado el ablandamiento de la fibra muscular. Pese al calcio almacenado en el músculo, y que activa a la calpaina II, éste no estimula el efecto de las proteinasas lisosomales, aunque se ha observado que a concentraciones de 10mM se puede inhibir la catepsina D en 39 por ciento.

Enzimas exógenas y bacterianas

Como se mencionó, el proceso de maduración se podría deber también a la acción de enzimas exógenas, las cuales pueden provenir de bacterias productoras de proteasas o por el uso de enzimas vegetales que provocan la aceleración del ablandamiento.
La carne es considerada como un excelente medio de cultivo para el crecimiento de microorganismos debido a su elevado porcentaje de humedad y gran diversidad de nutrientes. La refrigeración es el método de conservación más utilizado, ya que favorece un ambiente selectivo en el que, preferentemente, crecen microorganismos pricrótrofos. Los organismos que proliferan en carne a bajas temperaturas son principalmente bacterias Gram negativas de los géneros Pseudomonas (las predominantes), Acinetobacter, Aeromonas y Alcaligenes.

Durante el proceso de maduración-putrefacción de la carne, cierto tipo de bacterias como Pseudomonas pueden actuar sobre las proteínas miofibrilares. Algunos estudios demostraron que una enzima parcialmente purificada de Pseudomona fragi fue capaz de degradar las proteínas miofibrilares, pues Pseudomonas son unos de los microorganismos que degradan más efectivamente a la actomiosina.

En el caso de la colágena, los microorganismos pertenecientes al género Clostridium son los más eficientes productores de colagenasas. Sin embargo, estos microorganismos no pueden crecer a las bajas temperaturas de las carnes frescas en refrigeración.

Enzimas vegetales

Las proteasas de origen vegetal utilizadas para el ablandamiento de la carne son: la ficina, encontrada en las hojas de la panta de higo; la bromelina, encontrada en la corteza de la cáscara de la piña; y la papaína, encontrada en el fruto y árbol de la papaya. Esta última es muy usada en la cultura mexicana para ablandar la carne durante su cocción.

Este tipo de proteasas tienen dos desventajas principales al ser agregadas como ablandadores durante la cocción:
- Son inestables a temperaturas de 70ÞC.
- Producen un sabor desagradable en la carne debido a la degradación de la miosina.
Se ha observado que la inyección de enzimas vegetales da como resultado una degradación extensiva de las fibras musculares, no así del tejido conectivo.